籼稻紫叶种质hrd1的鉴定及杂种优势分析

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  摘 要 籼稻紫叶材料hrd1来源于特籼占13与02428杂交后代。农艺性状考察表明,籼稻紫叶种质hrd1紫色性状表现稳定、叶绿素含量正常,其株高较矮、分蘖中强、柱头双外露率极高,农艺性状较优良。以hrd1为母本与11个水稻品种配制杂交组合,对杂种F1及亲本的主要农艺性状进行统计分析,结果表明:hrd1与11个品种杂交F1在主要农艺、经济性状上都表现了较强的杂种优势,特别是单株穗重杂种优势表现突出。该种质在标记性状转育和杂种优势利用中具有一定价值。
  关键词 籼稻;紫叶种质hrd1;杂种优势分析
  中图分类号 S511.21 文献标识码 A
  Abstract hrd1, the object of this study, is a rice germplasm with purple leaf which originated from the hybrids of two green leaf accessions Texianzhan 13 and 02428. We achieved characterization of major phenotypic features for hrd1 through field and laboratory investigation, The hrd1 shows short to moderate stature, medium to high tillering numbers and extremely high double-stigma exsertion rate; Meanwhile, its purple phenotype is very stable while the chlorophyllcontent is normal. By made hrd1 crossing to eleven rice lines, mean heterosis of major agronomic characters were studied via determining performances of these F1 hybrids along with the crossing parents. All the eleven hrd1 derivative F1 hybrids displayed green appearances, and performed good heterosis in major agronomic and economic characters, especially the outstanding performance of the panicle weight per plant trait. The novel germplasm hrd1 shows definitive value in converting the purple leaf character into phenotypic marker and heterosis utilization.
  Key words Indica rice; Purple germplasm hrd1; Hybrid heterosis
  doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.03.014
  水稻是中国重要的粮食作物,其中两系杂交水稻年种植面积约占水稻总播种面积的1/4,在粮食生产中具有重要地位[1]。水稻两系不育系因本身种性或天气影响等原因,种子常有3%~5%的自交混杂[2]。如何快速有效地鉴别假杂种是两系杂种优势利用的关键环节之一。紫叶是一种特殊的叶色标记性状,性状表达较为稳定,一般在整个生育期都易于识别,这种标记性状可用于解决制种繁种中的除杂问题。因此,发掘和鉴定具有利用价值的紫色性状水稻种质具有重要的理论和实践意义。紫色水稻作为水稻重要的种质资源,已对其分类、表型进行了较系统的研究。Reddy等[3]认为紫色性状是由于花色素苷在不同部位的大量累积而导致。闵绍楷等[4]认为根据紫色呈现的部位,可将紫色水稻分为众多不同类型。彭长连等[5]研究表明,紫叶稻最大光合放氧能力和叶绿素含量比绿叶稻均有所提高;而余显权等[6]则认为紫叶稻与绿叶稻的杂种F1通常为绿色,并表现出一定的杂种优势。国内已选育出多个带紫叶标记的不育系,如中紫S、明紫02S、明紫03S、紫S等[7-9]。
  目前已报道的籼稻紫叶材料研究集中于生理生化方面,有关紫叶水稻育种价值的评价研究较少。本文研究材料来源于特籼占13与02428杂交后代的突变体,命名为籼型紫叶材料hrd1。经初步观察,该材料紫色性状典型(除籽粒、稃壳外的地上部位均表现紫色)、全生育期稳定表达;株型较理想、分蘖力较强、柱头双外露率高,在水稻标记性状材料培育和杂种优势利用上具有一定价值。本文通过田间调查、室内考种、叶绿素及花色素苷含量测定,明确hrd1主要表型特征;进而以hrd1为母本与其他水稻品种配制杂交组合,对杂种F1及亲本的主要农艺性状进行考察和分析,评估hrd1种质的育种价值。
  1 材料与方法
  1.1 材料
  籼稻紫叶种质hrd1(Oryza sativa L. ssp),来源于绿色籼稻品种特籼占13(简称TXZ,Oryza sativa L. ssp indica)与绿色广亲和粳稻02428(Oryza sativa L. ssp japonica)的杂交分离后代,推测其为自然突变产生的紫色突变体,株叶形态及多数农艺性状与籼稻亲本TXZ相似。经过5 a观察,hrd1的紫叶性状稳定遗传。绿叶品种TXZ作野生型(Wild-type,WT),是广东省佛山市农科所选育的籼稻品种,来源于特青2与粳籼89的杂交后代。以hrd1为母本与11个水稻绿叶品种配置杂交组合,分别是:粤晶丝苗2号、黄合占、粤华丝苗、新黄占、黄软占、华航31号、金航油占、特籼占13、矮脚南特、02428、惠阳珍珠早。   1.2 方法
  1.2.1 田间种植及调查方法 2011年早季在华南农业大学教学科研基地水稻实验田,以hrd1为母本与11个亲本材料进行杂交组配,共配制了11个杂交组合,获得F1种子。2011年晚季种植亲本、杂交组合F1,按株行距20 cm×20 cm规格插植成6×6小区(共36株),单本植,大田常规水肥管理。成熟后按亲本、杂交组合F1每小区取6株田间调查株高、剑叶长、剑叶宽,干燥后进行室内考种,分别调查单株穗重、有效穗数、穗长、穗实粒数、穗粒数、十粒谷粒长度、十粒谷粒宽度、千粒重等项目,计算出谷粒长、谷粒宽、谷粒长宽比、结实率,比较不同组合间的平均杂种优势。
  1.2.2 叶绿素含量测定 hrd1、TXZ和02428在分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期各取样1次,共4次。参照Arnon[10]的方法,将所取的新鲜叶片分别称取0.5 g,进行叶绿素含量测定,各3次重复。在波长663 nm和645 nm下测定的吸光度,根据以下公式计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量。
  1.2.3 总花色素苷含量测定 hrd1、TXZ和02428在分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期各取样1次,共4次。擦净叶片表面污物,剪碎(去掉中脉);用分析天平称取等量(0.1 g),用剪刀分别将每个材料剪成1~3 mm长的小段,加入冷的5 mL含1%(v/v)盐酸的甲醇溶液,4 ℃浸提24 h;6 000 r/min离心5 min后,取上清,稀释定容至15 mL,使用SHIMADZU UV-1800分光光度计,测定530 nm最大吸收峰的值;分别计算出3个材料叶片中总花色苷的含量,用OD530/g FW作为花色素苷单位。
  1.3 统计分析方法
  各性状观察值均以平均值进行统计分析,其中杂种平均优势计算方法参照潘家驹主编的《作物育种学总论》。试验数据采用EXCEL2003和SAS统计软件进行分析。
  平均优势(H)/%=×100,MP为双亲的平均值。
  2 结果与分析
  2.1 hrd1主要农艺及经济性状表现
  hrd1叶片、柱头、穗茎、稃尖均表现较明显紫色;这种紫色首先在2叶期的叶尖出现,随着植株的发育,逐步扩散至全株大部分组织(图1)。hrd1株高显著降低,只有野生型的70.90%;单株有效穗有所增加,平均达9.86个;剑叶长、宽均比野生型小,其中剑叶长显著缩短。另外,hrd1比野生型早熟9 d,谷粒长宽比与野生型相当,千粒重有所降低。尽管hrd1穗数增多,但穗长变短,导致穗粒数显著减少(只有野生型73.70%);hrd1柱头外露率极高,达到了95%,而野生型仅有15%(表1)。
  2.2 hrd1叶绿素及总花色素苷含量测定
  hrd1与绿叶材料TXZ 4个时期的叶绿素a、叶绿素b及总叶绿素含量见表2。从分蘖期开始,hrd1叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均呈现逐渐升高的趋势,并在抽穗期达到最高值。在抽穗期,hrd1的叶绿素a和叶绿素b含量显著高于TXZ,表明hrd1色素的累积和叶绿素含量变化无关。随着植株发育,hrd1叶片花色素苷含量逐渐升高,在孕穗期达到最高值,这与田间叶片由绿色逐渐转变为紫色的表型是一致的;与绿叶材料相比,除分蘖期外,其余3个时期hrd1的花色素苷含量均显著高于两者。
  2.3 hrd1配制的杂种F1的主要农艺性状的表现
  将各杂交组合、母本hrd1以及各父本品种分别按小区进行种植,在成熟期分别对各小区的主要农艺性状进行调查,统计分析各农艺性状的平均值(表3、4)。
  对照表3和表4,杂交组合在单株穗重表现出较强的杂种优势。杂交组合单株穗重平均值为46.06 g,比亲本平均值增加了48.53%,全部11个杂交组合的单株穗重都高于相应的父本,有2个组合的单株穗重超过50 g,其中hrd1与金航油占的杂交组合达到最高值64.24 g。
  进而考察全部11个组合的性状表现,可以发现有着相同的趋势,即:株高较适中(平均112.91 cm),剑叶稍长(平均31.03 cm)、宽度适当(平均2.15 cm),较强的分蘖能力(平均11.78),较多的穗总粒数(平均194.23),高结实率(平均87.78%),千粒重适中(平均为22.31 g),同时具有较优的外观品质,谷粒长平均达8.70 mm,谷粒长宽比平均达3.43,平均单株穗重达到46.06 g。上述结果表明紫叶种质hrd1具有优良的一般配合力,在水稻杂交育种或标记性状转育中具有一定价值。此外,11个杂交F1代均表现为正常绿叶。
  2.4 hrd1配制的杂种F1主要农艺性状的杂种优势分析
  表5列出了株高、剑叶长、剑叶宽、穗长、单株有效穗数、穗总粒数、穗实粒数、结实率、千粒重、谷粒长、谷粒宽、谷粒长宽比、单株穗重等13个性状的平均优势程度。在所有性状中,单株穗重和剑叶长的平均优势最强,平均值分别为56.55%和30.25%,且全部11个组合均表现出正向平均优势;株高和单株有效穗数的平均优势也非常明显,分别达23.92%和28.47%,有9个组合在单株有效穗数上具有正向优势,最高达79.30%。谷粒长宽比性状上平均优势在组合间差异很大,变幅为-2.82%~17.5%,平均为8.39%,8个组合具有正向优势,3个组合表现负向优势。上述数据说明以紫叶种质hrd1为母本配制的杂交组合F1在单株穗重上具有较强的杂种优势,且大多数杂交组合在谷粒性状与对照品种相比更为细长,这将利于培育优质高产的新品种。
  3 讨论与结论
  在水稻育种中,紫色性状受环境影响小,性状表现稳定且终生表达而成为一种理想的叶色标记。国内已选育出多个带紫叶标记的不育系,如中紫S、明紫02S、明紫03S、紫S等[7-9]。邓国富等[11]利用国际水稻所紫叶种质IR1552,育成了紫叶三系不育系先红A和两系不育系桂紫-1S。紫叶种质的利用取决于其本身的优良特性。本研究材料hrd1生育期较短、株高80 cm左右、分蘖力中强、有效穗整齐,部分符合理想株型中“半矮杆丛生快长”的模式,在株型改良中具有一定价值,这与黄耀祥[12]的研究基本一致;除此之外,hrd1结实率较高、粒型较好、柱头外露率极高等,可用于三系或两系不育系的培育。   水稻的紫色性状是由于花色素苷的累积而产生,水稻中常见的花色素苷为矢车菊素和芍药素[3]。目前已知花色素苷具有多种生理功能,如作为抗氧化剂、抵御强光胁迫产生的光抑制、当植物受昆虫和病原体侵袭时产生保护作用、作为一种渗透调节剂应对逆境胁迫等[13-17]。花色素苷的累积是否会影响水稻的光合作用一直是育种家关心的问题之一。已有的研究表明,富含花色素苷的紫叶稻对逆境胁迫有一定的适应能力,如紫叶稻最大光合放氧能力和叶绿素含量比绿叶稻均有所提高[5]。邓国富等[11]的研究表明,紫色水稻不育系配组的F1叶片功能正常,具有良好的光合性能,后期不早衰,紫叶性状对水稻紫叶标记不育系及杂种F1的农艺性状和产量无不良影响。本研究中,在3个调查时期hrd1和TXZ的叶绿素a和叶绿素b并无显著差异,由于叶绿素是叶片光合作用的重要系统[18],绝大多数叶绿素a和全部叶绿素b分子具有吸收和传递光能的作用,推测hrd1和TXZ具有相似的光能利用率,花色素积累不会对光合作用造成影响。
  此外,余显权等[6]研究表明紫叶稻与绿叶稻的杂种F1表现出一定的杂种优势。本研究结果表明,紫叶种质hrd1与不同品种亲本所配制的11个杂交组合F1叶片均为绿色,并且在主要农艺、经济性状上都表现了较强的杂种优势,特别是单株穗重杂种优势表现突出。所考察的13个主要农艺经济性状总体表现较好,全部性状均表现为不同程度的正向平均优势,依次是:单株穗重>剑叶长>单株有效穗数>株高>穗实粒数>穗总粒数>谷粒长>穗长>谷粒长宽比>结实率>谷粒宽>千粒重。总体看来,籼稻紫叶种质hrd1株高较矮、分蘖中强、柱头双外露率极高,农艺性状较优良,所配制的杂交F1均表现为绿叶植株且具有较强优势,该种质在标记性状转育和杂种优势利用中具有一定价值。
  由于本试验是初步研究,仅比较了不同组合杂种平均优势,所以未设置小区重复,但实验结果可以提供一定的初步依据。针对hrd1所表现出的杂种优势,作者在2014年进行不同组合的2次产量比较试验,在此试验中参照广东省品种区试方法,进行了3次随机区组试验,初步分析表明hrd1在标记性状恢复系选育中具有价值,具体数据尚在统计分析。
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